ATLAS实验探索希格斯玻色子的发现渠道

在比利时根特举行的欧洲物理学会高能物理学会议(EPS-HEP)上，欧洲核子研究中心的ATLAS协作组织使用完整的LHC Run 2数据集发布了希格斯玻色子属性的新测量结果。重要的是，新的结果检验了导致粒子在2012年被发现的两个希格斯玻色子衰变：H→ZZ *→4ℓ，其中希格斯玻色子衰变为两个Z玻色子，反过来衰变为四个轻子(电子或μ子); 和H→γγ，希格斯玻色子直接衰变成两个光子。

虽然很少见，但这些通道很容易在ATLAS探测器中识别和测量，使物理学家能够非常精确地研究希格斯玻色子的特性。特别是，它们提供了希格斯玻色子横向动量的新测量，可用于探测不同的希格斯生产机制以及可能与标准模型相互作用的偏差。

寻找黄金：对四轻子通道的新见解

H→ZZ *→4ℓ衰变是希格斯玻色子的所谓“黄金通道”，因为它具有所有可能的希格斯玻色子衰变模式中最清晰，最干净的特征。由于Run 2的亮度增加，ATLAS在2015年至2018年间录制了约300个“黄金通道”候选事件，其中三分之一预计将归因于ZZ后台流程。图1中可以看到完整Run 2数据的选定四轻子事件的不变质谱。

除了收集的事件数量增加外，ATLAS物理学家还对其分析进行了改进。虽然ZZ背景率先前是通过模拟估计的，与理论上的不确定性相关，但新的ATLAS结果使用数据直接评估背景贡献。虽然保持背景上的总不确定性大致相同，但这显着降低了测量的理论不确定性和模型依赖性。

ATLAS团队还引入了深度学习神经网络来区分哪些希格斯玻色子事件来自哪些生产机制。这种技术使ATLAS团队能够改进他们对Higgs玻色子是否是由一对胶子的共同融合(ggF-占希格斯玻色子衰变的87%)，或者两个W或Z的罕见融合的识别。矢量玻色子(VBF-7%的衰变)或来自W或Z玻色子的辐射(VH-4%)。一旦成功识别，ATLAS物理学家就可以测量每个的生产截面。

VBF和VH生产模式可以通过它们产生的颗粒的“喷射”的分离和质量来很好地区分。对于VBF，矢量玻色子由两个夸克辐射，这两个夸克在探测器中沿着射束方向和相对的半球形成高能射流。同时，VH生产模式也产生两个喷射，具有W(80 GeV)或Z(91 GeV)玻色子的质量。

然而，ggF生产中的胶子也可以辐射额外的喷射，从而模仿VBF和VH喷射对。这就是深度学习神经网络的用武之地。它们已被证明足够灵活，可以同时分离ggF，VBF和VH，与以前的机器学习技术相比，重叠更少。在图4中可以看到在四轻子通道中测量的Higgs产生横截面，由于神经网络技术，VBF横截面测量值提高了20%。

两盏灯看希格斯：研究双光子通道

ATLAS物理学家还将新的和改进的分析技术纳入他们对希格斯玻色子衰变到一对光子(H→γγ)的研究中。特别是，增强的光子识别和喷射能量校准导致相关的系统不确定性降低。用于识别光子并抑制来自强子衰变的不需要的光子候选的电磁喷淋形状标准现在已经在光子横向动量的子范围内被优化，因为在探测器中产生的阵雨取决于光子能量。这导致几个百分点的灵敏度提高。

物理学家测量了对希格斯玻色子产生和衰变敏感的可观察物的几个微分截面，包括与希格斯玻色子相关产生的射流的运动学分布。希格斯玻色子和规范玻色子之间的超标准模型相互作用有望改变这些变量，为新物理提供了极好的测试。根据双光子不变质量分布(见图3)中信号峰的事件收益率确定的包容性和差分横截面测量结果与标准模型预测结果一致。ATLAS物理学家使用这些测量来约束希格斯玻色子与规范玻色子的假设超标准模型相互作用的强度。

此外，ATLAS物理学家能够研究希格斯玻色子与魅力夸克之间的相互作用。希格斯玻色子还没有被看作腐蚀夸克，在标准模型中预测它的速率比底部夸克低20倍，这是ATLAS和CMS在2018年首次观察到的。但是，如果强度(由于一些新的物理过程，希格斯与魅力夸克相互作用的“耦合”或远大于预期，这将影响希格斯玻色子的测量动量分布。物理学家寻找这种效应的特征：与低希格斯玻色子动量区域中的理论预期相比，数据过多(见图4)。在数据中没有观察到这种过量。

图4：来自两个单独通道(H→ZZ *→4ℓ，H→γγ)及其组合的希格斯玻色子的横向动量(pT，H)的微分截面。图片来源：ATLAS Collaboration / CERN

综合洞察力

用H→γγ衰变通道测得总希格斯玻色子产生截面为56.7±6.3 pb，用H→ZZ *→4ℓ通道测得54.4±5.6 pb。结合两个通道，总横截面为55.4±4.3 pb，与标准模型预测值55.6±2.5 pb一致。两个通道中希格斯玻色子横向动量的微分截面也同意，如图4所示，它们的组合符合标准模型预测。

由于LHC和ATLAS探测器在第2阶段的出色性能，ATKAS对希格斯玻色子的研究正在超越发现，进入精密测量的新时代，进一步加深了我们对这种粒子的理解。旅程刚刚开始!